Ядерный магнитный резонанс
-
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
- ЯМР возникает при взаимодействии ядер с магнитным полем, генерируя электромагнитный сигнал.
- Частота сигнала зависит от напряженности магнитного поля и свойств изотопа.
- ЯМР используется в химии, медицине и физике конденсированных сред.
-
Принцип ЯМР
- Ядра с ненулевым спином взаимодействуют с магнитным полем, генерируя сигнал.
- ЯМР требует статического магнитного поля для наблюдения.
- В упорядоченных фазах магнитных материалов ЯМР возможен без внешнего поля.
-
История и развитие
- ЯМР был открыт Исидором Раби в 1938 году.
- Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл расширили методику в 1946 году.
- Рассел Х. Вариан разработал первый прибор ЯМР в 1952 году.
-
Применение ЯМР
- ЯМР используется в органической химии, биохимии и материаловедении.
- В 2020-х годах разработан ZULF ЯМР для получения аналитических результатов без больших магнитных полей.
-
Теория ЯМР
- Ядерные спины и магниты определяют поведение ядер в магнитном поле.
- Четное число протонов и нейтронов дает нулевой общий спин.
- Неспаренные протоны и нейтроны имеют параллельные спины, что снижает энергию.
-
Ядерный спин и магнитный дипольный момент
- Ядерный спин трития равен 1/2, как у протона.
- Частота ЯМР-поглощения трития аналогична частоте 1H.
- Ненулевой спин связан с магнитным дипольным моментом через гиромагнитное отношение.
-
Ядерный магнитный дипольный момент и ЯМР
- Нуклиды с четным числом протонов и нейтронов не проявляют ЯМР-сигнала.
- ЯМР-сигнал связан с переходами между уровнями ядерных спинов.
- Электронный спиновый резонанс (ЭПР) обнаруживает переходы между электронными уровнями спина.
-
Квантование углового момента
- Ядерный спин квантуется, что означает ограниченный диапазон значений.
- z-составляющая магнитного момента равна γmħ.
-
Спиновая энергия в магнитном поле
- В магнитном поле спиновые состояния имеют разную энергию.
- Спиновая намагниченность прецессирует вокруг магнитного поля с частотой ω = −γB.
-
Магнитно-резонансные и радиочастотные импульсы
- Отклонение ориентации ядерных спинов происходит при резонансе с радиочастотным полем.
- Резонансный радиочастотный импульс переводит спиновую намагниченность в поперечную плоскость.
-
Химическая защита и химический сдвиг
- Электронные оболочки экранируют магнитное поле ядра, изменяя частоту ЯМР.
- Химический сдвиг зависит от распределения электронной плотности на молекулярных орбиталях.
-
Расслабление и T1
- Процесс релаксации популяции ядер называется T1.
- T1 относится к среднему времени возвращения ядра к состоянию теплового равновесия спинов.
-
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
- ЯМР используется для исследования молекул через химический сдвиг резонансных частот ядерных спинов.
- ЯМР-спектроскопия предоставляет информацию о функциональных группах, топологии, динамике и структуре молекул.
-
Основные параметры ЯМР
- T1 и T2 характеризуют время релаксации ядер.
- T2* зависит от неоднородности магнитного поля и радиочастотной неоднородности.
- T1 и T2 зависят от скорости молекулярных движений и гиромагнитных соотношений.
-
Методы ЯМР
- Непрерывноволновая спектроскопия (CW) использует слабое колеблющееся магнитное поле для регистрации поперечной спиновой намагниченности.
- Спектроскопия с преобразованием Фурье (FT) использует короткие радиочастотные импульсы для возбуждения всего спектра ЯМР.
- Многомерная ЯМР-спектроскопия использует различные импульсы для получения многомерного спектра.
-
Применение ЯМР
- ЯМР используется для проектирования квантовых автоматов и создания элементарных квантовых компьютеров.
- ЯМР применяется в различных областях, включая химию, биологию, медицину и материаловедение.
-
Взаимодействия через связи и в пространстве
- Взаимодействия через связи связаны со структурной связностью атомов.
- Взаимодействия в пространстве связаны с геометрическими расстояниями и углами.
-
Развитие FT ЯМР
- Жан Джинер предложил концепцию 2D-FT ЯМР.
- Ричард Эрнст развил идею и получил Нобелевскую премию за FT ЯМР.
- Многомерные эксперименты с FT-ЯМР стали мощными методологиями изучения молекул.
-
Твердотельная ЯМР-спектроскопия
- Метод дополняет рентгеновскую кристаллографию.
- Применяется к молекулам в аморфном или жидкокристаллическом состоянии.
- В электронно-проводящих материалах сдвиг резонансной частоты по Найту предоставляет информацию о носителях заряда.
-
MAS и дипольная развязка
- MAS (magic angle sample spinning) позволяет достичь спектрального разрешения в твердых телах.
- Правильное расположение оси вращения образца важно для устранения уширения анизотропии химического сдвига.
- Дипольная развязка с помощью радиочастотных импульсов устраняет уширение линий.
-
Перекрестная поляризация и динамическая ядерная поляризация
- Перекрестная поляризация используется для переноса намагниченности с протонов на менее чувствительные ядра.
- Динамическая ядерная поляризация усиливает сигнал при температурах около 110 К.
-
Чувствительность и ограничения
- Интенсивность сигналов зависит от напряженности магнитного поля и присутствия магниточувствительных нуклидов.
- Тепловая энергия и насыщение образца энергией снижают чувствительность.
- Немагнитные эффекты, такие как электрическое квадрупольное взаимодействие, влияют на пики поглощения.
-
Изотопы для ЯМР-анализа
- 1H, 2H, 3He, 11B, 13C и 14N используются для различных целей.
- 1H обеспечивает сильный сигнал и используется в клинической МРТ.
- 2H используется для избежания интерференции сигналов и в ЯМР высокого разрешения.
- 3He используется в исследованиях эндоэдрических фуллеренов.
- 11B более чувствителен, чем 10B, и дает четкие сигналы.
- 13C устойчив к ядерному распаду, но требует длительного времени сбора данных.
- 14N имеет среднюю чувствительность и широкий диапазон химических сдвигов.
-
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
- ЯМР используется в медицине, органической химии, промышленности и биохимии.
- ЯМР позволяет изучать молекулярные структуры и химические связи.
-
Применение в медицине
- ЯМР используется в магнитно-резонансной томографии для диагностики.
- ЯМР-микроскопия применяется в исследовательских целях.
-
Применение в биохимии
- ЯМР-спектроскопия используется для биохимических исследований.
- ЯМР-микроскопия с химическим сдвигом позволяет изучать живые ткани.
-
Применение в химии
- ЯМР используется для идентификации соединений и подтверждения их структуры.
- ЯМР-спектроскопия позволяет различать множество атомов в молекуле.
-
Определение чистоты
- ЯМР может использоваться для определения чистоты соединений.
- Метод требует использования внутреннего стандарта известной чистоты.
-
Неразрушающий контроль
- ЯМР полезен для неразрушающего анализа биологических образцов.
- ЯМР подходит для анализа опасных образцов.
-
Сегментарные и молекулярные движения
- ЯМР позволяет получать динамическую информацию о молекулах.
- Ориентационная зависимость вкладов химического сдвига влияет на частоту ЯМР.
-
Сбор данных в нефтяной промышленности
- ЯМР используется для разведки и добычи нефти и газа.
- ЯМР-каротаж измеряет пористость и проницаемость горных пород.
-
ЯМР в поровых жидкостях
- ЯМР эффективно реагирует на объем, состав, вязкость и распределение жидкостей в порах.
- Записи ЯМР-анализа предоставляют информацию о количестве и свойствах жидкостей.
- Можно оценить объем и распределение порового пространства, состав горной породы, тип и количество углеводородов.
-
Методы измерения и обработки данных
- Основным методом измерения является затухание T2.
- Распад T2 обрабатывается для получения общего объема пор и объемов пор в различных диапазонах T2.
- Оценка проницаемости производится с использованием преобразований, таких как преобразование проницаемости Тимура-Коутса или SDR.
-
Проточные зонды для ЯМР-спектроскопии
- Разработаны проточные датчики для мониторинга процессов в режиме реального времени.
- Используются для мониторинга химических реакций, деградации загрязняющих веществ и других процессов.
-
Управление технологическим процессом
- ЯМР используется для управления технологическими процессами на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах.
- Спектрометры TD-ЯМР и FT-ЯМР высокого разрешения применяются для анализа сырья и продуктов.
-
ЯМР поля Земли
- В магнитном поле Земли частоты ЯМР находятся в диапазоне звуковых частот.
- EFNMR используется для анализа молекулярной структуры в низких полях и на низких частотах.
-
ЯМР в нулевом поле
- В ЯМР с нулевым полем магнитные поля экранируются, достигая магнитных полей ниже 1 нТл.
- Наблюдаемые спектры определяются взаимодействиями J-связи, не зависящими от внешнего магнитного поля.
-
Квантовые вычисления
- Квантовые вычисления ЯМР используют спиновые состояния ядер в качестве кубитов.
-
Магнитометры
- Различные магнитометры используют эффекты ЯМР для измерения магнитных полей.
-
СНМР
- Поверхностный магнитный резонанс используется для оценки содержания воды в недрах земли.
-
Производители оборудования
- Крупнейшие производители приборов ЯМР включают Thermo Fisher Scientific, Magritek и другие.
-
Дополнительные ресурсы
- Руководство, учебное пособие, библиотека ЯМР-методов, заметки по курсу ЯМР, анимация и моделирование, видео.